- Runtime 简介
- 消息传递
- 消息转发
- Runtime 应用
Objective-C 是一门动态语言，它会将一些工作放在代码运行时才处理而并非编译时。也就是说，有很多类和成员变量在我们编译的时是不知道的，而在运行时，我们所编写的代码会转换成完整的确定的代码运行。
因此，编译器是不够的，我们还需要一个运行时系统(Runtime system)来处理编译后的代码。
Runtime 又叫运行时, 是一套底层的 C 语言 API, 是 iOS 内部核心之一, 其中最主要的就是消息机制.
Runtime 简介
那么消息传递如何实现的呢? 我们可通过 查看对象(object), 类(class), 方法(method)的定义来了解
//对象
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//类
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法列表
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE;
int method_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
- 系统首先找到消息的接收对象, 然后通过对象的 isa 找到他的类;
- 在他的勒种查找 method_list, 是否有该 selector 方法
- 没有则查找超类 superClass 的 method_list
- 找到对应的 method, 并执行他的 IMP
- 转发 IMP 的 return 值
- 类对象(objc_class)
- 实例(objc_object)
- 元类(Meta Class)
- Method(objc_method)
- SEL(objc_selector)
- IMP
- 类缓存(objc_cache)
- Category(objc_category)
类对象(objc_class)
OC类是由 Class 类型表示的, 它实际上是一个指向 objc_class 结构体指针;
typedef struct objc_class *Class;
在 objc/runtime.h 中 objc_class 结构体的定义
struct objc_class {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_class 结构体指针定义了很多变量, 通过命名不难发现, 结构体里保存了指向超类的指针, 类名,版本, 实际大小, 变量实例列表,方法列表,缓存, 遵守的协议列表;
一个类包含的信息不也就这些吗?
类对象就是一个结构体 struct objc_class, 这个结构体存放的数据称为元数据(metadata),
该结构体的第一个城南公园变量也是 isa 指针, 这就说明 了 Class 本身其实也是一个对象, 类对象在编译期产生用于创建实例对象, 是单例
实例(objc_object)
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
类对象中的元数据储存都是如何创建一个实例的相关信息, 那么类对象和类方法应该从哪里创建呢?
就是从 isa 指针指向的结构体创建, 类对象的 isa 指针指向的我们称之为元类(metaclass)
元类(Meta Class)
通过上图可以看出整个体系构成了一个自闭环,
struct objc_object 结构体实例, 他的 isa 指针指向类对象,
类对象的 isa 指针指向了元类, super_class 指针指向了超类的类对象
而元类 super_class 指针指向了超类的元类, 元类的 isa 指针又指向了自己
元类(MetaClass) 是一个类对象的类.
之前提到所有的类, 自身也是一个对象, 我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)
为了调用类方法, 这个类的 isa 指针必须指向一个包含这些类方法的一个 objc_class 结构体.
这就引出了 meta_class 的概念, 元类中保存了创建对象以及类方法所需的所有信息.
任何 NSObject 继承体系下的 meta_class 都是用 NSObject 的 meta_class 作为自己的所属类, 而基类的 meta_class 的 isa 指针是指向他自己.
Method(objc_method)
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL _Nonnull method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char * _Nullable method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP _Nonnull method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
Method 和我们平时理解的函数是一致的, 就是表示能够独立完成一个功能的一段代码:
+ (void)eat {
NSLog(@"%s",__func__);
}
在 objc_method 结构体中, 可以看到内容有:
SEL method_name 方法名
char *method_types 方法类型
IMP method_imp 方法实现
在这个结构体中, 我们看到了 SEL 和 IMP, 说明 SEL 和 IMP 其实都是 Method 的属性.
SEL(objc_selector)
typedef struct objc_selector *SEL;
objc_msgSend 函数第二个参数类型为 SEL , Tahiti selector 在 OB 中的表示类型.
selector 是方法选择器, 利益理解为区分方法的 ID, 而这个 ID 的数据结构是 SEL.
其实 selector 就是一个映射到方法的 C 字符串, 我们可以用 OC 编译器命令 @selector() 或者 runtime 系统的 sel_registerName 函数来获得 一个 SEL 类型的方法选择器.
selector 既然是一个 字符串, 我觉得应该是类似 className + method 的组合, 命名规则:
同一个类, selector 不能重复
不同的类, selector 可以重复
带来的弊端是,我们在写 C 代码时, 经常会用到函数重载, 就是函数名相同, 参数不同, 但是这在 OC 中是行不通的, 因为 selector 只保存了 method_name, 而没有保存参数, 所以没法区分不同的 method.
例如:
- (void)calculate:(int)num;
- (void)calculate:(float)num;
- (int)calculate:(int)num;
就会报错, 必须更改方法名才行.
IMP
//指向一个方法实现的指针
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, …);
就是指向最终实现程序的内存地址的指针.
在 iOS 的 runtime 中, Method 通过 selector 和 IMP 两个属性, 实现额快速查询方法以及实现, 相对提高了性能, 又保持了灵活性.
类缓存(objc_cache)
当 OC 运行时通过跟踪他的 isa 指针检查对象时, 他可以找到一个实现许多方法的对象. 然而, 你可能只调用他们中的一小部分, 并且每次查找时, 会在该类所有超类派生类中搜索目标 方法选择器(SEL), 这样影响性能而且没有意义, 所以类实现一个缓存, 每当你搜索一个类方法表, 并找到相应的选择器(SEL), 就把该方法选择器(SEL)放入缓存, 所以当 objc_mesSend 查找一个类的选择器(SEL), 他首先搜索类缓存.
为了加速消息分发,系统会对方法和对应的地址进行缓存, 就放在上述的 objc_cache, 所以在实际运行中, 大部分常用的方法都会缓存起来, runtime 系统实际上非常快, 接近直接执行内存地址的程序速度.
Category(objc_category)
Category 是表示一个指向分类的结构体指针,
打开objc源代码，在 objc-runtime-new.h中我们可以发现如下定义:
struct category_t {
Const char *name;
classref_t cls;
struct method_list_t *instanceMethods;
struct method_list_t *classMethods;
struct protocol_list_t *protocols;
struct protocol_list_t *instanceProperties;
};
name: 是指 class_name 而不是 category_name
cls: 要扩展的类对象, 编译期间是不会定义的,而是在 runtime 阶段, 通过 name 对应到对应的类对象
instanceMethods: category 中添加的实例方法的列表
classMethods: category 中添加的类方法列表
protocols: category 中实现的协议列表
instanceProperties: 表示 Category 里所有的属性, 就是我们通过 objc_setAssociatedObject 和 objc_getassociatedObject 增加的实例变量
从 Category 的定义结构体重,可以看出, 分类中可以添加示例方法, 类方法, 实现协议, 添加属性, 不可以添加成员变量.
Runtime 消息传递
- 下面详细叙述消息发送的步骤：
- 首先检测这个 selector 是不是要忽略。比如 Mac OS X 开发，有了垃圾回收就不理会 retain，release 这些函数。
- 检测这个 selector 的 target 是不是 nil，Objc 允许我们对一个 nil 对象执行任何方法不会 Crash，因为运行时会被忽略掉。
- 如果上面两步都通过了，那么就开始查找这个类的实现 IMP，先从 cache 里查找，如果找到了就运行对应的函数去执行相应的代码。
- 如果 cache 找不到就找类的方法列表中是否有对应的方法。
- 如果类的方法列表中找不到就到父类的方法列表中查找，一直找到 NSObject 类为止。
如果还找不到，就要开始进入动态方法解析了，后面会提到。
当一个对象调用方法时, [obj eat]; 编译器会转成消息发送 objc_msgSend(obj, eat), 具体流程:
首先, 通过 obj 的 isa 指针找到 obj 所属的类 class;
在 class 的 method list 中找 eat 方法;
如果没找到, 则继续在他的超类 superClass 的 method_list 中查找;
一旦找到 eat 这个方法, 就会通过 IMP 执行他的实现;
但这种实现有个问题, 效率低, 一个 Class 通常只有 20% 的函数会经常被调用, 占总调用次数的 80%, 每个消息都需要遍历一次 method_list 并不合理. 如果把经常被调用的函数缓存起来, 那么可以大大提高函数查询的效率, 这也就是 object_class 中另一个重要成员 objc_cache 做的事情: 在找到 eat 之后, 把 eat 的 method_name 作为 key , method_imp 作为 value 缓存起来, 当再次受到 eat 消息时可以直接在 cache 里找到, 避免去遍历 所有的方法列表.
objc_msgSend 的方法定义如下:
objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, …)
Runtime 消息转发
OC 一次消息发送会搜索相关类的方法列表, 如果找不到则会沿着继承树向上搜索一直到根类(通常是 NSObject), 如果还是找不到就会进入消息转发,消息转发有三次拯救机会, 如果消息转发失败就会执行 doesNotRecognizeSelector: 方法 报 unrecognized selector 的错误, 那么消息转发是什么呢?
- 动态方法解析
- 备用接收者
- 完整消息转发
301129-a1159ef51f453da8.png
动态方法解析
首先, OC 运行时会调用 +resolveInstanceMethod: (或者 +resolvClassMethod:), 让开发者有机会提供一个函数实现, 如果添加了函数并返回 YES, 那么运行时系统就会重新启动一次消息发送流程.
实现一个动态方法解析的例子:
- (void)viewDidLoad {
[superviewDidLoad];
[selfperformSelector:@selector(eat) withObject:nil];
}
#pragma mark ---------- 处理类方法 ----------
//当这个类被外界调用了一个没有实现的 类 方法时, 进入这里
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
NSLog(@"没有实现 类 方法: %@",NSStringFromSelector(sel));
if(sel == @selector(eat)) {
/*
1\. cls: 类 类型
2\. SEL: 方法编号
3\. IMP: 方法实现 (函数指针), 告诉方法执行这个函数
4\. types: 函数类型 C 字符串(代码), 表示将要添加的方法(eat 方法)的类型
*/
class_addMethod([selfclass], sel, (IMP)eat, "v@:");
}
return[superresolveInstanceMethod:sel];
}
/*
id self, SEL _cmd
所有的函数都有这两个隐式 参数
*/
voideat(idself, SEL_cmd) {
NSLog(@"调用了 %@ 对象 的 %@ 方法",self,NSStringFromSelector(_cmd));
}
可以看到虽然没有实现 eat 这个函数, 但是我们通过class_addMethod 动态添加eat函数, 并执行eat 这个函数的 IMP,
如果resolve方法返回NO,运行时就会进入下一步: forwardingTargetForSelector.
备用接收者
如果目标对象实现了 -forwardingTargetForSelector:, Runtime 这时就会调用这个方法, 给开发者把这个消息转发给其他对象的机会.
实现一个备用接收者的例子:
ViewController.m 中发送消息 将 CXPerson 作为备用接收者,CXPerson 将处理此消息
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return[superresolveInstanceMethod:sel];
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if(aSelector == @selector(eat)) {
return[CXPersonnew];//返回Person对象，让Person对象接收这个消息
}
return[superforwardingTargetForSelector:aSelector];
}
完整消息转发
如果经过备用接收者也不能处理此消息, runtime 将会启用 完整的消息转发机制;
首先会发送 -methodSignatureForSelector: 消息, 获得函数的参数和返回值类型,
如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil, runtime 则会发出 -doesNorRecognizeSelector: 消息, 程序这时也就挂掉了,
如果返回了一个函数签名, runtime 就会创建一个 NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation: 消息给目标对象;
实现一个完整消息转发的例子:
//当这个类被外界调用了一个没有实现的 类 方法时, 进入这里
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
returnYES;//返回YES，进入下一步转发
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
returnnil;//返回nil，进入下一步转发
}
- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"eat"]) {
return[NSMethodSignaturesignatureWithObjCTypes:"v@:"];//签名，进入forwardInvocation
}
return[supermethodSignatureForSelector:aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation*)anInvocation {
SELsel = anInvocation.selector;
CXPerson*p = [CXPersonnew];
if([p respondsToSelector:sel]) {
[anInvocation invokeWithTarget:p];
}else{
[selfdoesNotRecognizeSelector:sel];
}
}
实现了完整的转发。通过签名，Runtime生成了一个对象anInvocation，发送给了forwardInvocation，我们在forwardInvocation方法里面让CXPerson对象去执行了eat函数。签名参数v@:怎么解释呢，这里苹果文档Type Encodings有详细的解释
Runtime 应用
Runtime 简直就是做大型框架的利器, 他的应用场景非常多,例如:
-
关联对象(Objective-C Associated Objects) 给分类增加属性
-
方法交换(Method Swizzling) 方法添加和替换 和 KVO 的实现
-
消息转发(热更新)解决 bug
-
实现 NSCoding 的自动归结档
-
实现字典和模型的自动转换
具体应用实现, 可以查看 demo
网友评论